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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur 3D-Geometrieerfassung von Objektoberflächen sowie
eine Vorrichtung dazu.
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Die
optische Präzisionsmesstechnik
wird gern zur schnellen flächenhaften
3D-Geometrieerfassung eingesetzt. Dazu gehören Triangulationsverfahren,
bei denen ein optisches Muster, beispielsweise ein Streifenmuster
auf eine Objektoberfläche,
projiziert wird und die Hell-Dunkel-Grenzen der Streifen durch Triangulation
vermessen werden. Werden dabei höchste
Ansprüche
auf die Z-Auflösung
(Z-Richtung ist in Richtung der optischen Achse des Messsystems)
gestellt, werden bei Messfelddurchmessern von 10 mm und mehr nur
noch Auflösungen
im Mikrometerbereich erreicht. Dies gilt auch für die Verfahren der konfokalen
Mikroskopie.
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Interferometrische
Messprinzipien liefern bessere Genauigkeiten. In der formmessenden
Interferometrie wird im Allgemeinen mit kohärentem Licht und phasenschiebenden
Verfahren gearbeitet. Ein Beispiel dazu ist der
DE 102 56 273 B3 zu entnehmen.
Dieses Verfahren ist jedoch auf spiegelnde Oberflächen und
auf einfache Grundgeometrien, z.B. Planflächen oder sphärische Flächen, beschränkt, weil
der Verlauf der Wellenfront, der auf das Messobjekt einfallenden
elektromagnetischen Welle im Wesentlichen mit der Kontur des Messobjekts übereinstimmen
muss. Weist die Objektoberfläche
keine einfache Grundgeometrie auf, kann die Wellenfront, wenn die
Objektoberfläche
wenigstens spiegelnd ausgebildet ist, mittels eines holografisch-optischen Elements
an die Objektkontur angepasst werden. Dazu muss allerdings die Form
der Objektoberfläche zuvor
bekannt sein.
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Handelt
es sich um ein Messobjekt mit einer optisch rauen Oberfläche, so
bilden sich aufgrund der Kohärenz
des eingestrahlten Lichts so genannte Speckle. Für diesen Fall wurde als Alternative,
die sich insbesondere bei rauen Oberflächen verwenden lässt, das
Kohärenzradar
vorgeschlagen, das mit zeitlich kurz kohärentem Licht arbeitet. Dazu
wird auf die
DE 41
08 944 C2 verwiesen. Bei diesem Verfahren wird die Weglängendifferenz
zwischen der Objekt- und der Referenzwelle kontinuierlich verändert. Für die Objektbereiche,
für die
die optische Weglängendifferenz
zwischen der Objekt- und der Referenzwelle nahe Null ist, tritt
in der Bildebene, in der sich im Allgemeinen eine Kamera befindet,
ein Kontrastmaximum auf, das sich mittels digitaler Signalauswertung
erfassen und der zugehörigen
Objektposition zuordnen lässt.
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Dieses
Verfahren erfordert eine relativ große Messzeit, weil die Abtastschrittweite
weniger als ein Viertel der verwendeten Lichtwellenlänge betragen muss,
um das Abtasttheorem einzuhalten. Wird von einer maximalen Schrittweite
zwischen zwei Bildaufnahmen von 100 nm und einer Kamerabildrate
von 100 Bildern/Sekunde ausgegangen, ergibt sich eine maximale Messgeschwindigkeit
von 10 μm/Sekunde.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Messgeschwindigkeit
zu erhöhen
und dabei die Möglichkeit
der Höhenauflösung im
Submikrometerbereich zu schaffen.
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Des
Weiteren wird es begrüßt, wenn
das zu schaffende Verfahren eine Höhenauflösung im Submikrometerbereich
gestattet und unempfindlich gegenüber Umgebungsschwingungen ist.
Außerdem wäre zu begrüßen, wenn
die Abtastung bezüglich
der Höhenrichtung
(Z-Richtung) nicht auf äquidistante Abtastungen
festgelegt ist.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Verfahren zur 3D-Geometrieerfassung nach Anspruch
1 sowie mit der Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst:
Das erfindungsgemäße Verfahren
beruht auf der Beleuchtung eines Ausschnitts der Objektoberfläche oder
der gesamten Objektoberfläche
mit kurzkohärentem
Licht, wobei dieses mit einem Refezenzlichtbündel zur Interferenz gebracht
wird. In dem Messlichtbündel
und/oder dem Referenzlichtbündel
werden gegeneinander phasenverschobene Komponenten hergestellt,
so dass zwei Interferenzbilder zu erhalten sind – ein erstes mit der ersten
Komponente und ein zweites mit der zweiten Komponente. Die beiden
Interferenzbilder werden getrennt aufgenommen und voneinander subtrahiert.
Es entsteht ein Differenzbild mit einem sehr starken Kontrast im
Interferenzbereich (wenn der Referenzlichtweg und der Messlichtweg
um weniger als die Kohärenzlänge voneinander
verschieden sind), wobei der Kontrastverlauf ein ausgesprochenes
Maximum aufweist.
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Unter „Kontrast" wird hier das Ausmaß der Änderung
der Pixelhelligkeit eines betrachteten Pixels bei einer Veränderung
der Länge
des Referenzlichtwegs und/oder des Messlichtwegs verstanden. Das
Maximum dieses Kontrastverlaufs wird bestimmt und der zugeordnete
Z-Wert gilt für
den betreffenden Pixel des Differenzbildes als Z-Messwert.
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Mit
diesem Verfahren ist eine hohe Messgeschwindigkeit möglich. Durch
die Bestimmung des Maximums einer Kurve, die den Intensitätsverlauf
der Differenzbilder über
der Z-Richtung abbildet, kann ein genauer Messwert auch dann gewonnen
werden, wenn das Abtasttheorem verletzt, d.h. mit Unterabtastung
gearbeitet wird. In diesem Fall können die in Z-Richtung gemessenen
Abstände
zwischen einzelnen Aufnahmepositionen für die Interferenzbilder größer als
die halbe, auch größer als
die ganze Lichtwellenlänge
sein. Im Ausführungsbeispiel
kann beispielsweise mit einer Schrittweite von 1 µm oder
etwas mehr gearbeitet werden, obwohl die Lichtwellenlänge geringer
als 1 µm
sein kann. Es wird dennoch eine Messpräzision im Submikrometerbereich
erreicht.
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Durch
die hohe Abtastschrittweite ist eine hohe Messgeschwindigkeit möglich.
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Das
Verfahren ist außerdem
unempfindlich gegen nicht äquidistante
Abtastschritte. Es ergibt sich daraus auch eine Unempfindlichkeit
gegenüber Umgebungsschwingungen.
Somit wird ein sehr robustes Messverfahren erhalten, das schnell
arbeitet und eine hohe Präzision
gestattet. Wegen der Unempfindlichkeit gegen nichtäquidistante
Abtastung kann die zur Messung erforderliche Längenänderung des Referenzlichtwegs
und/oder des Messlichtwegs als Schwingung, z.B. als harmonische
Schwingung ausgeführt
werden.
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Das
Verfahren kann sowohl durchgeführt werden,
indem der Abstand zwischen der Messvorrichtung und der Messobjektoberfläche verändert wird
(Veränderung
der Länge
des Messlichtwegs) als auch indem der Referenzspiegel in Richtung
des Messlichtbündels
verstellt wird (Veränderung
der Länge
des Referenzlichtwegs). In beiden Fällen wird die Intensitätsänderung,
d.h. die Änderung
der Helligkeit eines Pixels des aufgenommenen Bilds in Abhängigkeit
von der Z-Verstellung oder alternativ der Referenzspiegelverstellung
durch eine glatte Kurve approximiert und deren lokales Maximum bestimmt. Die
glatte zur Approximation herangezogene Kurve ist vorzugsweise eine
Gaußsche
Glockenkurve.
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Dieses
Verfahren wird parallel für
alle Pixel des Differenzbilds durchgeführt, womit nach einem einzigen
Z-Scandurchlaufs Messwerte für
alle Pixel des Differenzbilds vorliegen.
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Zur
Erzeugung der beiden Komponenten in dem Messlichtbündel und/oder
dem Referenzlichtbündel
wird bevorzugt, mit polarisiertem Licht zu arbeiten. Beispielsweise
kann eine Lichtquelle eingesetzt werden, die ein Polarisationsfilter
enthält.
Dieses Polarisationsfilter kann mit einer Lambda-Viertel-Platte (λ/4-Platte) zusammenwirken, die
in dem Messlichtweg oder alternativ in dem Referenzlichtweg angeordnet
ist. Die λ/4-Platte
ist ein Beispiel für ein
Element, das unterschiedlich polarisiertem Licht unterschiedliche
Phasenverschiebungen erteilt. Beispielsweise kann die λ/4-Platte
einem vertikal polarisiertem Licht keine und einem horizontal polarisiertem
Licht eine Phasendrehung von 90° erteilen. Schräg (diagonal)
polarisiertes Licht wird somit in eine erste Komponente (s-Komponente)
ohne Phasenverschiebung und in eine zweite Komponente (p-Komponente)
mit 90°-Phasenverschiebung
aufgeteilt. Bei doppelter Passage der λ/4-Platte addiert sich die Phasenverschiebung.
So kann die erste Komponente (s-Komponente)
eine Phasenverschiebung von 0° und
eine zweite Komponente (p-Komponente) eine Phasenverschiebung von
180° aufweisen.
Dies führt
an den beiden Kameras zu 180° phasenversetzten
Interferenzbildern. Das erhaltene Differenzbild ist frei von Umgebungslichteinflüssen. Die Helligkeit
(synonym: Intensität)
jedes Pixels ist außerhalb
der auftretenden Interferenz im Wesentlichen Null. Nur wenn sich
Messlichtweg und Referenzlichtweg um weniger als die Kohärenzlänge unterscheiden,
tritt Interferenz auf, wobei die an dem betreffenden Pixel zu beobachtenden
Helligkeitsänderungen
sehr stark sind. Die Helligkeitsänderungen haben
ihr Maximum, wenn Referenz- und Messlichtweg gleich sind. Dieses
Maximum wird ermittelt und zur Bestimmung des Z-Messwerts genutzt.
Dazu kann die Position der Messvorrichtung in Bezug auf das MEssobjekt
durch einen Linearmaßstab
bestimmt und dieser Messwert mit dem Von der Messvorrichtung gelieferten
Z-Messwert verrechnet (subtrahiert) werden.
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Entsprechende
Vorteile liefert die Vorrichtung nach Anspruch 10. Als Lichtquelle
wird vorzugsweise eine Leuchtdiode oder eine anderweitige Quelle
für kurzkohärentes Licht
verwendet. Im Interesse einer möglichst
hohen Auflösung
wird vorzugsweise eine Lichtquelle mit geringer Kohärenzlänge, vorzugsweise
mit einer Kohärenzlänge von
weniger als 50 µm
verwendet.
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Als
Mittel zur Erzeugung der beiden gegeneinander phasenverschobenen
Komponenten (s-Komponente, p-Komponente) in dem Referenzlichtbündel und/oder
dem Messlichtbündel
wird vorzugsweise eine polarisationsabhängige Phasenschiebereinrichtung,
wie beispielsweise eine λ/4-Platte
eingesetzt. Alternativ kann als Mittel zur Erzeugung der beiden
Komponenten eine Lichtquelle verwendet werden, die ein zweifarbiges
Licht mit geringem Frequenzunterschied abgibt. Die Aufteilung der
beiden verschiedenen Komponenten auf die beiden Kameras kann dann
beispielsweise durch dichroitische Spiegel erfolgen.
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Die
beiden verwendeten Kameras sind vorzugsweise CCD-Kameras, die einen flächenhaften Bildaufnahmebereich
aufweisen. Vorzugsweise weisen beide Kameras übereinstimmende Pixelzahlen auf,
wobei das Differenzbild pixelweise erzeugt wird.
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Die
Einrichtung zur Subtraktion der beiden erhaltenen Interferenzbilder
zur Erzeugung eines Differenzbilds kann ein Computer oder eine entsprechende
Hardware sein.
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Das
Mittel zur Veränderung
der Länge
des Messlichtwegs und/oder der Länge
des Referenzlichtwegs ist vorzugsweise eine Stelleinrichtung zur Erzeugung
einer Relativbewegung zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt.
Die Relativbewegung kann eine schrittförmige Bewegung, eine kontinuierlich
gleichförmige
Bewegung oder eine Bewegung mit einem vorgegebenen Bewegungsprofil
sein. Die gleichförmige
Bewegung und die Bewegung mit vorgegebenem Bewegungsprofil gestatten
die Ausführung
der Verstellbewegung mit geringen Beschleunigungen.
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Wird
zur Erzeugung der Interferenzbilder der Referenzlichtweg verstellt,
ist dies möglich,
so lange die Schärfentiefe
der verwendeten Objektive nicht verlassen wird.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen, der Zeichnung oder der
Beschreibung.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
Messvorrichtung gemäß einer ersten
Ausführungsform
in schematisierter Darstellung,
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2 die
Helligkeit eines Pixels im ersten und im zweiten Interferenzbild
in Abhängigkeit
von der Z-Verstellung,
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3 die
Helligkeit eines Pixels des Differenzbilds und die abgeleitete Gauß-Verteilungskurve,
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4 eine
abgewandelte Ausführungsform der
Vorrichtung zur flächenhaften
Profilerfassung und
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5 eine
weiter abgewandelte Ausführungsform
der Vorrichtung zur flächenhaften
Profilerfassung.
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In 1 veranschaulicht
eine Vorrichtung 1 zur flächenhaften 3D-Geometrieerfassung
einer Objektoberfläche 2 eines
Messobjekts 3. Zu der Vorrichtung 1 gehören eine
Lichtquelle 4, ein Interferometer 5, ein selektiver
Phasenschieber 6, ein Objektiv 7, ein Strahlteiler 8,
eine erste Kamera 9, eine zweite Kamera 10 und
eine Auswerteeinrichtung 11. Die Lichtquelle 4,
die in der bevorzugten Ausführungsform eine
Leuchtdiode 12 enthält,
ist mit einem Kollimator 13 versehen, um ein im Wesentlichen
paralleles Lichtbündel
zu erzeugen. Außerdem
kann ein Polarisationsfilter 14 im Lichtweg angeordnet
sein, das beispielsweise eine 45°-Polarisation
erzeugt.
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Das
Interferometer 5 ist beispielsweise ein Michelson-Interferometer. Es
kann alternativ auch ein anderes Interferometer, wie beispielsweise
ein Mirau-Interferometer vorgesehen werden. Es unterteilt das von
der Lichtquelle 4 kommende Lichtbündel in ein Messlichtbündel 15 und
ein Referenzlichtbündel 16,
wozu beispielsweise ein halbdurchlässiger Spiegel 17 dient.
Zu dem Interferometer 5 gehört außerdem ein Referenzspiegel 18.
In dem Pfad des Messlichtbündels 15 ist
vorzugsweise außerdem
ein weiteres Polarisationsfilter 19 vorgesehen, dessen Polarisationsrichtung
mit der des Polarisationsfilters 14 übereinstimmt.
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Der
Phasenschieber 16, beispielsweise in Form einer λ/4-Platte, erzeugt eine
polarisationsabhängige
Phasenverschiebung, die im Ausführungsbeispiel
90° beträgt. Der
vertikal polarisierte Anteil des durch das 45°-Polarisationsfilter 14 durchgelassenen
Lichts wird beispielsweise um 90° verzögert, während der
horizontal polarisierte Anteil ohne Phasenverschiebung passiert.
Genau genommen können
beide Anteile eine Phasenverschiebung erfahren, wobei die Differenz
jedoch 90° beträgt.
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Der
Spiegel 17 führt
das Referenzlichtbündel 16 und
das Messlichtbündel 15 wieder
zusammen. Das Objektiv 7 bildet dann sowohl die Objektoberfläche 2 als
auch den Referenzspiegel 18 auf die Kameras 9, 10 ab.
Dabei sorgt der Strahlteiler 8 dafür, dass die horizontal polarisierte
Komponente des schräg polarisierten
Lichts auf die Kamera 9 und die vertikal polarisierte Komponente
auf die Kamera 10 fällt. Nachdem
der Referenzlichtstrahl 16 durch den Phasenschieber 6 eine
erste, nicht phasenverschobene Komponente und eine zweite, phasenverschobene Komponente
enthält,
erhalten die Kameras 9, 10 somit unterschiedliche
Interferenzbilder.
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Die
an die Kameras 9, 10 angeschlossene Auswerteeinrichtung 11 bildet
aus den beiden Interferenzbildern ein Differenzbild und verfolgt
die Helligkeit jedes Pixels desselben während der Abstand zwischen
der Vorrichtung 1 und dem Messobjekt 3 in Z-Richtung,
d.h. senkrecht zu der Objektoberfläche 2, oder mit anderen
Worten parallel zur optischen Achse 20 der Vorrichtung 1,
verstellt wird. Dabei nehmen die Kameras 9, 10 jeweils
gleichzeitig in Z-Abständen
Bilder auf, die größer als
die Wellenlänge des
Lichts der Leuchtdiode 12 ist. Unter „Wellenlänge" wird die Schwerpunktwellenlänge des
von der Leuchtdiode abgegebenen nicht streng monochromatischen Lichts
verstanden.
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Die
Vorrichtung 1 arbeitet wie folgt:
Zur Durchführung des
Messvorgangs wird die Lichtquelle 4 beispielsweise in Dauerbetrieb
oder auch stroboskopisch betrieben. Letzteres kann dazu genutzt
werden, zur Aufnahme der Interferenzbilder mittels der Kameras 9, 10 höhere Lichtintensitäten zu ermöglichen.
Die Lichtquelle 4 gibt entsprechend fortwährend oder
in kurzen Zeitabständen
jeweils kurzkohärentes
Licht ab, wobei die Kohärenzlänge vorzugsweise
im Bereich von 10 µm
bis 50 µm
liegt. Während
des Betriebs der Lichtquelle 4 wird der Abstand zwischen
der Vorrichtung 1 und der Objektoberfläche 2 in Richtung
der optischen Achse 20 durch Bewegung der Vorrichtung 1 und/oder
durch Bewegung des Messobjekts 3 verstellt. Dies ist in 1 durch
einen Pfeil 21 angedeutet. Es werden nun mit den beiden
Kameras 9, 10 synchron Interferenzbilder aufgenommen,
die sich unterscheiden. Der Unterschied wird beispielsweise durch
die unterschiedlichen Phasenlagen des zur Erzeugung des jeweiligen Interferenzbildes
herangezogenen Referenzlichtbündels
erzeugt.
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Bei
der in 1 veranschaulichten Vorrichtung trifft unter 45° linear polarisiertes
Licht auf die Oberfläche
des Messobjekts, wobei nur das mit gleicher Polarisation reflektierte
Licht wieder aufgenommen wird. Dafür sorgt das Polarisationsfilter 19.
Die λ/4-Platte
(Phasenschieber 6) bewirkt, dass die Referenzwelle nach
zweifachem Durchtritt eine p-Komponente und eine s-Komponente enthält, die
gegeneinander um 180° phasenverschoben
sind. Das Messlichtbündel
und die beiden Komponenten des Referenzlichtbündels werden mit dem Spiegel 17 vereinigt
und durch das Objektiv 7 in eine Bildebene abgebildet.
Vor der Bildebene befindet sich der polarisierende Strahlteiler 8,
der das interferierende Licht in zwei Teilstrahlen mit P-Polarisierung
und mit s-Polarisierung aufteilt. Der Teilstrahl mit der p-Polarisierung
enthält
die P-Komponente
des Referenzlichtbündels.
Der s-Teilstrahl enthält
die s-Komponente des Referenzlichtbündels 16. Folglich
sind die zugehörigen
Interferogramme, die auf den Kameras 9, 10 abgebildet
werden, um 180° gegeneinander
phasenverschoben.
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Die
Kameras 9, 10 zeichnen die Interferogramme zeitsynchron
als Pixelbilder auf und liefern diese an die Auswerteeinrichtung 11.
Diese subtrahiert die Interferenzbilder pi xelweise voneinander und
erzeugt somit Differenzbilder. Dieser Vorgang wird vielfach wiederholt
während
sich der Abstand zwischen dem Messobjekt 3 und der Vorrichtung 1 vorzugsweise
kontinuierlich verändert.
Die Abstandsdifferenz zwischen zwei Bildaufnahmen liegt dabei typischerweise
in der Größenordnung
von 1 µm,
d.h. bei einer verwendeten Lichtwellenlänge von < 4 µm wird das Abtasttheorem nicht
eingehalten.
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Die
Differenzbilder werden pixelweise ausgewertet. Verfolgt man die
Helligkeit eines Pixels des Differenzbilds über die Weglängendifferenz
zwischen Messlichtweg und Referenzlichtweg, so ergeben sich systematische
Streuungen der Helligkeit sobald die Weglängendifferenz geringer als
die Kohärenzlänge der
Lichtquelle ist. Die Signalauswertung wird von der Auswerteeinrichtung
11 durchgeführt, indem
für eine
bestimmte Anzahl von Helligkeitswerten ein und desselben Pixels
aufeinander folgende Differenzbilder, die zu aufeinander folgenden
Z-Positionen der Vorrichtung
1 gehören, die empirische Standardabweichung
ermittelt wird. Die für
jeden Abtastwert geltende Standardabweichung wird beispielsweise
nach folgender Formel berechnet
wobei k die Nummer des Abtastschritts,
n die Anzahl der in die Berechnung der Streuung einbezogenen Helligkeitswerte,
i eine Zählvariable,
x
i die Pixelhelligkeit für ein bestimmtes Differenzbild
und x
m der laufende Helligkeitsmittelwert
ist. In
2 sind mit den Kurven
I und
II die
Helligkeitswerte eines Pixels über der
Abstandsdifferenz aufgetragen. In
3 ist mit der
Kurve
III der Helligkeitswert desselben Pixels des Differenzbilds
aufgetragen. Die Kurve
IV gibt die nach obiger Formel berechnete
Standardabweichung wieder. Diese zeigt in Abhängigkeit von dem zurückgelegten
Scanweg näherungsweise
den Verlauf einer Gaußschen
Glockenkurve. Sie wird dementsprechend durch eine Gaußsche Glockenkurve approximiert,
die in
3 als Kurve
V eingetragen ist. Die Ermittlung
des Z-Messwerts erfolgt, indem die Position des lokalen Maximums
dieser Gaußkurve
V ermittelt
wird.
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Auf
diese Weise wird für
jedes Pixel der beiden Kameras 9, 10 ein Differenzbildpixel
berechnet und die vorbeschriebene gleitende Berechnung der Standardabweichung über eine
festgelegte Anzahl aufeinander folgender Abtastwerte (beispielsweise
5) durchgeführt.
Für jedes
Differenzbildpixel entsteht somit eine resultierende geglättete Kurve,
die anschließend
durch die Gaußsche
Glockenkurve approximiert wird, anhand derer der Z-Wert des betreffenden
Pixels bestimmt wird.
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Es
wird dabei mit Unterabtastung gearbeitet, d.h. das Abtasttheorem
wird verletzt. Dennoch wird eine Auflösung im Submikrometerbereich
erhalten. Die Relativbewegung zwischen Vorrichtung 1 und Messobjekt 3 kann
eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit oder mit wechselnden
Geschwindigkeiten sein. Die Z-Abstände der Bildaufnahmen können gleich
bleiben oder variiert werden.
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4 veranschaulicht
eine abgewandelte Ausführungsform
der Vorrichtung 1. Mit Ausnahme der nachfolgend beschriebenen
Einzelheiten gilt die vorige Beschreibung unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen
entsprechend.
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Der
Phasenschieber 6 ist nicht im Referenzlichtbündel 16 sondern
in dem Messlichtbündel 15 angeordnet.
Somit werden die beiden Komponenten, die zur Bildung unterschiedlicher Interferenzbilder auf
den Kameras 9, 10 herangezogen werden, nicht im
Referenzlichtbündel 16 sondern
in dem Messlichtbündel 15 erzeugt.
Bei den Komponenten handelt es sich wiederum um unterschiedlich
polarisierte und unterschiedlich phasenverschobene Anteile des Lichtbündels. Die
Phasenverschiebung beträgt
vorzugsweise 180°.
Sie kann von dem Optimalwert 180° abweichen.
Sie ist vorzugsweise > 90° und < 270°.
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Die
Vorrichtung 1 gemäß 4 kann
im Ganzen wie vorbeschrieben zu dem Messobjekt relativ bewegt werden.
Es ist jedoch auch möglich,
an Stelle dessen den Abstand zwischen der Vorrichtung 1 und
dem Messobjekt 3 konstant zu halten und den Referenzspiegel 18 zu
bewegen, um eine Z-Abtastung durchzuführen. Dies ist auch dann möglich, wenn
der Phasenschieber 6, wie in 1 dargestellt, im
Referenzlichtbündel 16 angeordnet
ist.
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5 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung. Soweit Elemente vorhanden sind, die mit Elementen
der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen identisch oder
funktionsgleich oder funktionsähnlich
sind, wird unter Zugrundelegung der eingeführten Bezugszeichen auf die vorstehende
Beschreibung verwiesen. Die Vorrichtung nach 5 arbeitet
mit einer Lichtquelle 4, die zwei Leuchtdioden 12a, 12b enthält, die
unterschiedliche Schwerpunktwellenlängen aufweisen. Vorzugsweise
liegen diese dicht beieinander. Das kleinste gemeinsame Vielfache
der beiden Schwerpunktwellenlängen
beträgt
vorzugsweise mehr als das Dreifache einer der Schwerpunktwellenlängen. Der
Spiegel 17 teilt die Lichtbündel der beiden Leuchtdioden
jeweils in ein Referenzlichtbündel
und ein Messlichtbündel. Im
Referenzlichtweg ist ein weiterer Strahlteiler angeordnet, der wellenlängenabhängig das
Licht der einen Leuchtdiode 12a zu einem Referenzspiegel 18a und
das Licht der Leuchtiode 12b zu einem Referenzspiegel 18b leitet.
Die Referenzspiegel 18a, 18b sind so angeordnet,
dass sich für
das Licht der beiden Leuchtdioden 12a, 12b an
den Kameras 9, 10 ein Phasenversatz von etwa 180° ergibt.
Die von den Leuchtdioden 12a, 12b abgegebenen
Lichtbündel durchlaufen
unterschiedlich lange Referenzlichtwege, die sich vorzugsweise um λ/4 der Schwerpunktwellenlänge eines
des Spektren der beiden Leuchtdioden unterscheiden. Der Strahlteiler 8 ist
wiederum frequenzselektiv. Er leitet das Licht der Leuchtdiode 12a zu
der Kamera 9 und das Licht der Leuchtdiode 12b zu
der Kamera 10. Bei dieser Ausführungsform bildet ds Licht
der beiden Leuchtdioden 12a, 12b die beiden Komponenten
(„erste
Komponente" und „zweite
Komponente") der
Lichtquelle 4. Die Auswertung der Kamerabilder geschieht
wie oben im Zusammenhang mit den 1 bis 4 beschrieben.
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Anstelle
der Aufsplittung des Referenzlichtbündels auf zwei Spiegel 18a, 18b ist
es auch möglich,
im Referenzlichtweg mit einer Anordnung nach 1 zu arbeiten.
Die Platte 6 ist dann eine planparallele Platte aus einem
nicht doppelbrechendem Material. Aufgrund der Dispersion des Lichts
der beiden unterschiedlichen Farben der beiden Leuchtdiode 12a und 12b ergibt
sich zwischen beiden Lichtfarben bei jedem Durchgang wiederum der
gewünschte Phasenversatz
der beiden Komponenten gegeneinander von λ/4.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Messverfahren gelingt
eine 3D-Geometrieerfassung
von Objektoberflächen
mit einer Unterabtastung (Verletzung des Abtasttheorems), indem
zumindest eines der beiden in einem Interferometer 5 zur Überlagerung
gebrachten Lichtbündel
(Referenzlichtbündel 16 und
Messlichtbündel 15)
in zwei Komponenten S und P zerlegt wird, aufgrund deren an zwei
Kameras 9, 10 unterschiedliche Interferenzbilder
(S-Interferenzbild und P-Interferenzbild) erzeugt werden. Die S-Komponente
und die P-Komponente sind gegeneinander vor zugsweise 180°-phasenversetzt.
Aus den beiden Interferenzbildern der Kameras wird ein Differenzbild erzeugt.
Bei Verwendung kurzkohärenten
Lichts haben die Pixel des Differenzbildes nur in dem Z-Bereich
eine von Null verschiedene Helligkeit, für den die Differenz zwischen
Referenzlichtweg und Messlichtweg kleiner als die Kohärenzlänge ist.
In Abhängigkeit
von der Z-Koordinate weist das betrachtete Pixel des Differenzbildes
einen stark schwankenden Helligkeitsverlauf auf, wobei die Hüllkurve
oder auch die Standardabweichung einer Gaußschen Glockenkurve folgt.
Der Helligkeitsverlauf wird durch diese approximiert. Das Kurvenmaximum
legt den Z-Messwert
für den
Oberflächenpunkt
fest, zu dem betrachteten Pixel des Differenzbilds gehört. Das
Verfahren ist robust, schnell und genau.